大型空間結(jié)構(gòu)的快速有限元分析技術(shù).pdf

1、有限單元法是結(jié)構(gòu)分析的重要方法.近十年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及,有限元結(jié)構(gòu)分析軟件越來(lái)越成為工程技術(shù)人員不可或缺的工具.同時(shí),人們用個(gè)人計(jì)算機(jī)求解的結(jié)構(gòu)問題規(guī)模越來(lái)越大,甚至希望在可接受的時(shí)間內(nèi)對(duì)一些復(fù)雜的大型空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析或動(dòng)力分析.此時(shí),傳統(tǒng)的有限元程序越來(lái)越顯示出其不足一解題規(guī)模有限且求解速度過(guò)慢.而近十幾年來(lái)有限元技術(shù)的新進(jìn)展一快速有限元(Fast Finite Element,or FFE)技術(shù),

2、使在普通個(gè)人計(jì)算機(jī)上對(duì)大型復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速的有限元線性靜力分析,甚至非線性分析和動(dòng)力分析,成為可能.快速有限元技術(shù)主要包括快速有限元前處理技術(shù)、快速有限元求解器技術(shù)和快速有限元后處理技術(shù).該文主要討論了其核心—快速有限元求解器技術(shù).該文首先討論了結(jié)構(gòu)有限元離散化模型和總體剛度矩陣稀疏結(jié)構(gòu)的抽象一圖,以及以圖論為基礎(chǔ)的稀疏矩陣重排序技術(shù).并把這些技術(shù)應(yīng)用在前處理過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散化的節(jié)點(diǎn)編號(hào)處理上.在此基礎(chǔ)上,對(duì)新的有限元快速

3、求解器技術(shù)—稀疏直接求解器(SparseDirect Solver)和預(yù)條件共軛梯度迭代求解器(Preconditioned Coniugate Gradient Solver,orPCG Solver)進(jìn)行了深入探討.并采用了剛度矩阼的稀疏存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和針對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系而優(yōu)化的算法,對(duì)上述兩種有限元求解器用Fortran 90編程語(yǔ)言做出了程序?qū)崿F(xiàn).通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的算例驗(yàn)算,討論了它們?cè)诟鞣N不同結(jié)構(gòu)類型、不同單元類型等不同條件下

4、的適用性.并且在速度及所需內(nèi)存兩個(gè)方面,與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了比較.算例表明,與傳統(tǒng)方法相比,新的快速有限元求解器技術(shù)速度顯著提高,同時(shí),對(duì)內(nèi)存需求量明顯減少.結(jié)構(gòu)規(guī)模越大,優(yōu)勢(shì)越顯著.除了有限元靜力分析外,該文還對(duì)大型空間結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中求解結(jié)構(gòu)自振頻率的塊Lanczos方法和PCG迭代法作了討論.塊Lanczos方法和高效的稀疏直接求解器的結(jié)合,是目前求解結(jié)構(gòu)自振頻率的最為有效的方法.該文的最后還介紹了COSMOS和ANSYS等著名通用有限